高考物理江苏卷回旋加速器“三部曲”的赏析与启示

蒋霖峰 陆建隆

(南京师范大学教师教育学院,江苏 南京 210097)

·高考命题研究·

高考物理江苏卷回旋加速器“三部曲”的赏析与启示

蒋霖峰 陆建隆*

(南京师范大学教师教育学院,江苏 南京 210097)

纵览近40年的高考物理试题发现,带电粒子在电磁场中的运动一直是考查重点,而以回旋加速器为试题情景更是高频发生．本文以2009、2011、2016高考物理江苏卷中三道回旋加速器计算题为例,赏析其在能力立意下传统模型的创新和物理原汁原味的体现,在此基础上探讨进一步提高高中物理教学与复习质量的建议．

高考物理江苏卷;回旋加速器;带电粒子在电磁场中的运动;物理教学建议

1 引言

一年一度的高考出现了许多优秀试题,他们在终端检验高中教学质量和科学区分考生能力从而选拔人才的同时,为我们的教学研究提供了很好的平台和切入点．

自1977年恢复高考以来,纵览1978—2016年的近40份高考物理真题江苏卷(2004年以前为全国卷或教育部单为江苏命制的卷,2004年以后则为江苏省独立命题)发现,关于带电粒子在电磁场中的运动一直是高考考查的重点．近40份的高考真题卷中,有25份以计算题的形式考查了带电粒子在电磁场中运动的相关知识,尤其从2003年以来,每年都会有相应的计算题出现,分值趋于稳定,大约为全卷总分值的15%,体现终端评价对该部分内容的重视程度．纵览这些真题卷,发现在题干叙述方面亦有鲜明的特色变化,2000年之前的真题卷不重视试题情景的构建,题干叙述显得较理论化,缺乏生活气息．而2000年之后,尤其是江苏省独立命题以来,试题倾向于通过简洁的叙述,为学生提供一个真实的问题背景,给考生完成思维任务或操作活动提供一个平台,所有考生在这个平台上展现自己解决问题的能力．值得关注的是,2008年高考改革以来共出现3次以回旋加速器作为该部分计算题试题情景,且每次都在原有模型上有所创新,得到广大一线教师的认可与好评．

2 高考物理江苏卷回旋加速器“三部曲”赏析

回旋加速器作为电磁学教学内容之一,其在科研、医疗、工业等领域有着广泛应用,符合情景化试题的素材要求,其相应原理在高中物理教学中也是电磁学重点知识．我们欣喜地注意到近些年来江苏卷就以简单的回旋加速器模型为例,命制出3道新题(表1),素材选择的背后是对回旋加速器“三细节”的仔细考量,从而奏出“回旋加速器三部曲”．

表1 高考物理江苏卷回旋加速器“三部曲”概述

正如表1所述,在物理教学中为了让回旋加速器模型更加简单从而简化思维过程,通常对回旋加速器模型做出简化,常见的简化有忽略高能粒子的相对论效应、忽略带电粒子的加速时间等．这些简化随着时间的推移在教学中已形成了“潜规则”,从而让部分教师和学生产生思维定势:高能粒子就是该忽略相对论效应、带电粒子的加速时间当然不用考虑等．2009年、2011年和2016年的高考物理江苏卷就针对中学教学长期形成的“固化认识”进行反拨,从而让试题情景更具现实意义,彰显试题的原汁原味．

2.1 三部曲之一:回旋频率与加速频率的匹配

2008年高考新方案的实施,强化了电磁学在高中物理教学的地位,电磁学部分的计算也成为3道计算题中的压轴题．在当时,回旋加速器模型的重要性还没有引起教师足够的重视,对加速度问题的考查也基于对模型的过多简化,例如回旋频率永远与加速电压的频率相匹配,这样一来,粒子每回旋一个周期将恰好被加速,粒子出射的最大动能只取决于磁感应强度和D型盒的半径等外在条件．事实上,磁感应强度的增大会导致回旋频率的增大,从而需要频率更高的加速电压与其匹配,在现实情况中,磁感应强度与加速电压的频率都有最大值的限制．在2009年的物理高考卷中就考查了这种现实情况(2009年第14题),让一线教师充分认识到很多“理所当然”的简化在高考中会成为命题切入点．该题背景源于选修3-1课本中回旋加速器的相关内容,考虑到回旋加速器是现代科学研究和生产中的重要设备,试题对回旋频率与加速频率匹配这一现实问题做了一次创新性的考查．总的说来,本题基于回旋加速器基本工作原理设置3个问题,第(1)问考查考生对带电粒子在电场、磁场中运动规律的理解,较简单;第(2)问要求考生知道粒子在回旋加速器中运动的周期性,通过求解粒子被加速的总圈数得到相应结果;第(3)问要求考生知道粒子通过狭缝一次次被加速的原理,通过逻辑推理,得到最大磁感应强度和最高加速电场频率之间的约束关系,分别讨论粒子能获得的最大动能.要求考生具有较强的思维能力、综合分析问题的能力和应用物理规律初步解决实际问题的能力,属较高要求．

本题对引导中学物理教学关注现代科学技术的发展,加强与生产生活的实际应用相联系有重要的导向意义.本题的提问方式新颖,层次分明,应有较高的区分度.

2.2 三部曲之二:高能粒子相对论效应的取与舍

本题的情景以质量的相对论效应为切入点,看似超纲实则完全符合考纲要求,通过对相对论效应的简化,较好地考查考生的分析综合能力和应用数学解决物理问题的能力,对优秀学生有很高的区分度．这对引导考生重视基本概念规律的学习,摒弃“题海战术”、“机械训练”有积极意义．

2.3 三部曲之三:考虑带电粒子的加速时间

根据中学阶段回旋加速器常规模型,由于带电粒子动能较大,D型盒之间的缝隙宽度较小,所以将带电粒子在D型盒之间的加速时间忽略不计,从而降低学生的思维层次,简化了相应的物理模型．考虑现实情况下的回旋加速器:带电粒子在D型盒之间的加速时间会导致每次回旋周期发生微小的改变,多次回旋之后,由于累加效应,回旋周期的改变将会导致回旋频率与加速电压频率之间发生相移,从而限制粒子的出射动能．在两次以回旋加速器为考查背景之后,很多一线教师认为加速器模型已经开发殆尽,其作为压轴计算题出现的可能性不大,但继第2次考查回旋加速器后的5年,即2016年的江苏高考物理卷,又以粒子的加速过程为切入点,考虑粒子被加速过程所需时间,从而命制出一道区分度很高的压轴题(2016年第15题)．本题作为2016年江苏高考物理卷的压轴题,在题干叙述中明确强调“现考虑粒子在狭缝中的运动时间”,这与教学中常规加速器模型有很大不同,让学生较为陌生,也是本题创新所在．当然,本题在对模型进行创新之余也对其创新之处做了相应简化,其考虑“能够出射的粒子每次经过狭缝均做加速运动”,这让考查既原汁原味又给考生提供解题“抓手”,规避部分由于考虑加速时间所带来复杂情况的讨论．基于以上考虑,本题设置3个小问,第(1)问是常规问题,难度较小;第(2)、(3)问需要考虑粒子被加速时间不可忽略所带来的相移,区分度较大．

从本题的物理模型可以看出,这是对回旋加速器模型的再次创新，在课堂教学中,我们一般不考虑粒子在电场中的加速时间,但本题以此为切入点,考虑粒子在电场中的加速过程．

图1 回旋加速器三部曲

如图1所示，其实回旋加速器三部曲之间是互相关联而非各自独立的,若不考虑带电粒子在电场中的加速时间那么将会导致带电粒子的相移,从而使得加速频率与回旋频率不匹配,另一方面,高能粒子的相对论效应会使粒子质量发生改变,影响粒子回旋频率,从而也会导致加速频率与回旋频率不匹配的问题．所以,加速频率与回旋频率的匹配问题是提高加速器效率的终端问题,频率匹配度的提高将会大幅度提高回旋加速器的效率,这也是在科研活动中待解决的问题之一．这3道高考题通过试题情景的构建,将传统模型进行创新,为学生提供现实的物理问题情景,体现了试题的原汁原味,彰显了试卷的学科品味与科学内涵,让学生在解决真实问题的过程中展现能力,体会物理知识的学以致用．

3 基于回旋加速器“三部曲”的对高中物理学习与复习的一点教学启示

江苏高考物理卷对回旋加速器的3次考查,表象上意在让加速器模型更接近现实情景,彰显试题的原汁原味;从更深层次的意义上来说,是想通过加速器的3次终端评价,反拨中学物理教学尤其是高三复习课教学的改革深化,在逐步走出题海战术的误区同时,扎实推进基于物理核心素养的物理教学．由前面对基于回旋加速器 “三部曲”试题的分析,有下列启示供教师们参考．

(1) 深刻领会高考作为基础教育终端评价对高中物理教学改革的反拨作用.

自江苏省2004年自主命题以来,命题工作已经走过12个年头,尤其从2008年“08方案”实施至今,高考物理江苏卷已经形成其稳定的结构与鲜明的特色,命题质量和水平逐步提高．高考作为一项为高等学校录取新生服务的选拔性考试,一直是社会的热点问题,高考的改革牵动着亿万百姓的神经．高考江苏卷切合高中课程与教学改革时机,坚持大胆探索,试题坚持能力立意,形成了具有独特风格的江苏卷．

以往,人们总是将考试与应试教育联系在一起,认为只要有考试,素质教育就不可能实现．实则不然,高考作为基础教育的总指挥棒,一线教师和学校管理者在指挥棒的引导下安排相应教学任务,若指挥棒指挥合理,将中学教育向能力培养方向指挥,让试卷真正能考查出考生的相应能力,让“刷题”也不一定能拿高分,那么一线教师也将会逐渐摒弃题海战术,从教学意识层面逐步实现从“应试教育”向“素养教育”的转变,这便是高考作为终端评价的正向反拨作用,所以一张高质量的高考卷将促进中学教育制度的改革,有利于教学实践的优化提升．作为中学教师,应该深刻认识到高考对教学改革不断深化的正向作用,在高考物理江苏卷的核心命题思想和相应试卷特色的指导下改进教学工作,切实提高学生物理学习与复习的质量．

(2) 巧用优质高考题资源进行深度备课从而促进学生深度学习.

恢复高考40年、分省命题12年涌现了一大批优质的高考试题．作为教师,研究这些好题,将好题中的思路方法带入课堂,将好题的命题思路带入教研活动,不仅有利于学生能力的培养更有利于教师自身的专业化发展．近年来首都师大的邢红军教授提出了高端备课的概念,其强调在教学设计中体现“从物理知识传授到物理方法教育,再到物理思想形成的核心理念”,邢红军教授提出的高端备课本质上是凸显科学方法教育的备课．从中我们可以得到这样的启发,物理教学设计一定要有自己的核心理念．那么对于高三的复习课教学,我们自然应该凸显评价的正向作用．不可否认,高三的复习教学就是为了迎战高考,为了复习课的高效开展,从评价入手,深入研究高考优秀题,做到用一道优秀题串起一堂优质复习课．例如带电粒子在电磁场中运动的复习课上,教师可以将高考物理江苏卷的回旋加速器三部曲作为3个范例,串起整节复习课,教师通过对范例的解读,培养学生在近似真实的情景中解决问题的能力,促进学生高效学习、深度学习．在此,我们提出高考复习课备课的新范式:组织一线教师通过教研活动的形式研究优秀高考题,通过改编、提炼等方式总结出优秀题的思想方法,最后将其带入课堂．简而言之,高三复习课的备课应该是基于高考评价的深度备课．

(3) 积极探索江苏卷试题特色和变化规律,力图使考生的高三复习与最后高考无缝对接.

从回旋加速器“三部曲”的考查我们可以窥探出一些高考压轴题的部分命题思路,其针对平常教学中常规的回旋加速器模型进行创新:默认粒子质量不变,却在2011年高考中考虑了相对论效应;默认粒子加速时间不计,却在2016年高考中考虑了加速时间带来的相移．所以,对旧素材进行深度挖掘,从物理模型的简化点入手挖掘命题点,将物理模型部分去理想化,从而将旧素材创新化,一道新颖质高的试题就诞生了．

切实领悟到江苏高考物理卷试题特色和变化规律的一线教师将会自然意识到,在能力立意指导下的高考物理命题旨在反拨高三物理复习教学走出题海战术．只有真正让学生走进实验室、让学生亲历探究过程、让学生解题中体会学以致用、让学生系统复习中感悟到物理对现代社会的重要影响,我们的物理教学与复习就真正落实了基于物理核心素养的教学,我们的考生就能在高考中发挥出自己的高水平,真正做到赢在高考．

1 张大昌,张维善，等.高中物理选修3-4[M].人民教育出版社,2010:106.

2 邢红军.高中物理高端备课[M]. 北京：中国科技出版社, 2014.

3 江苏省教育考试院试题分析编写组.2015年高考(江苏卷)试题分析[M].南京：东南大学出版社,2015:107-109.

4 丁岳林.例说相移对回旋加速器的影响[J]. 物理教师, 2012(3)：40-42.

5 黄红波.物理高考中的试题情境[J]. 物理教师, 2016, 37(6)：83-87.

6 李维兵.对回旋加速器中运动轨迹相关问题的分析[J].物理教师，2012(4)：14-15.

7 卞志荣.回旋加速器与高考[J].物理教师，2010(12)：51-52.

2016-08-15)

* 通讯作者：陆建隆，E-mail: 723538706@qq.com.